Классическая механика и физика – это всего лишь приближения?

(фрагмент из книги «Революция в физике»)

 

Теперь обсудим вкратце вопрос о том, какую роль современная физика отводит классической механике и физике. Разумеется, они полностью сохраняют свое практическое значение в той области явлений, для описания которой они были созданы и в которой их справедливость подтверждается опытом. Открытие квантов ни в коей мере не нарушает законов падения тел или законов геометрической оптики. Всякий раз, когда с определенной степенью точности подтверждается какой‑либо закон (а всякий результат может быть проверен лишь с определенной точностью), можно утверждать, что этот результат в основном является окончательным и никакие последующие теории его не смогут опровергнуть. Если бы это было не так, то никакая наука вообще не могла бы развиваться. Однако может так случиться, что появление новых экспериментальных данных или новых теорий приведет к тому, что найденные ранее законы будут рассматриваться лишь как некоторое приближение. Иными словами, при увеличении точности измерений справедливость их в конце концов нарушается. Такие случаи неоднократно встречались в истории развития науки. Из законов геометрической оптики, например, известно, что закон прямолинейности распространения света, хотя он и был проверен с большой степенью точности и считался вначале совершенно точным, оказался верным лишь приближенно. Это стало ясным после открытия явления дифракции и установления волновой природы света. Именно таким путем последовательных приближений, устраняя внутренние противоречия, и может развиваться наука. Созданные в процессе ее развития теории не будут полностью опровергнуты и уничтожены последующим развитием науки, а войдут в качестве составных частей в новые, более общие теории. С этой точки зрения механику и классическую физику можно рассматривать как введение в квантовую физику.

В свете квантовой теории классическая механика и физика уже не являются абсолютно точными. Однако в обычных условиях нарушение классических законов оказывается незаметным из‑за имеющихся всегда ошибок измерений. Таким образом, для явлений, протекающих в наших обычных масштабах, классические механика и физика оказываются очень хорошим приближением.

Итак, здесь мы снова встречаемся с обычным процессом развития науки. Твердо установленные принципы, надежно проверенные законы хотя и сохраняются в дальнейшем развитии науки, но уже рассматриваются не как абсолютно точные, а лишь как некоторое приближение, пределы применимости которого определяются новой, более общей теорией.

Поскольку все же для явлений нашего масштаба классическая механика и физика, совершенно не учитывающие наличия квантов, остаются справедливыми, то некоторые, возможно, скажут, что, в сущности, кванты не имеют такого уж всеобщего значения, какое им приписывается, поскольку в чрезвычайно широкой области явлений, включающей, в частности, область практических приложений, квантовую природу явлений можно совершенно не учитывать. Однако подобная точка зрения кажется нам неправильной. Во‑первых, в такой важной и перспективной области, как атомная и ядерная физика, кванты играют настолько существенную роль, что без привлечения квантовой теории понять явления, относящиеся к этой области, оказывается совершенно невозможно. Во‑вторых, в макроскопической физике, где благодаря малости величины квантов и неизбежным ошибкам эксперимента квантовая природа процессов не проявляется явно, наличие кванта действия влечет за собой все те следствия, на которые мы указали ранее. И если они практически не оказывают заметного влияния, то это никоим образом не умаляет их значения как для физики, так и для философии. Поэтому в настоящее время квантовая теория является одной из существенных основ естествознания.

 

 

ГЛАВА ПЯТАЯ

РОЖДЕНИЕ НАШЕГО МИРА

 

Хотя действие известных ныне физических законов и невозможно экстраполировать в прошлое до самого начального момента или даже в область, где вступает в силу квантовая теория гравитации… тем не менее можно построить модель Вселенной начиная почти с первой микросекунды ее существования с достаточной уверенностью, что ее физическая сущность понимается правильно. Проследить развитие Вселенной на протяжении этих первоначальных удивительно кратких мгновений – бесспорно, одно из самых величайших, буквально захватывающих дух дерзаний, которые когда‑либо предпринимались наукой. Поистине невероятно, что удается осмысленно описать состояние Вселенной в «возрасте» менее одной секунды.

П. Девис, «Пространство и время в современной картине Вселенной»

 

САМАЯ ВСЕОБЩАЯ НАУКА

 

Одной из самых жгучих тайн современного естествознания является физика происхождения нашего мира. Этой загадочной проблемой занимается специальная наука, изучающая Вселенную как единое целое, – физическая космология. Выводы космологии основываются и на законах физики, и на данных наблюдательной астрономии. От других наук космология отличается своей структурой, являясь в значительной степени умозрительной и гипотетической дисциплиной. Развитие современной космологии основывается на положении, по которому все законы природы, установленные на нашей планете и в ближайшем космическом окружении, безусловно, распространяются на всю видимую Вселенную – Метагалактику (см. рис. 8 цв. вкл.). Это, конечно же, не означает, что где‑то в глубинах космоса ученые не смогут открыть новые поразительные физические закономерности, но они никогда не отменят уже открытые законы природы в пространстве и времени, а будут расширять и развивать их на новом уровне.

На протяжении веков величайшие умы человечества – Коперник, Кеплер, Галилей и Ньютон считали окружающий мир однородным и неизменным. На эти же свойства Вселенной изначально опирался в своих построениях Эйнштейн. Создатель теории относительности считал, что Вселенная в целом не эволюционирует, пребывая в застывшем состоянии, и никак не подвластна ходу времени. Правда, в отдельных местах Метагалактики могут возникать и гаснуть звезды и даже целые галактики, но общая картина мира остается принципиально неизменной. Однако реальная Вселенная оказалась совершенно иной, не статически застывшей, а динамичной и развивающейся. Вещество Вселенной не может находиться в покое. Оно должно либо расширяться, либо сжиматься.

Сейчас Метагалактика ускоренно расширяется, и если вернуть этот процесс в прошлое, то мы окажемся у очень загадочной точки вселенского сжатия, носящей название космологическая сингулярность. Эта во многом мнимая точка (ведь указать ее координаты просто невозможно – нет подходящей системы отсчета!) и будет являться моментом «начала начал» расширения нашей Вселенной. Сам астрономический термин «сингулярность» можно перевести как «особенность», «необычность» или «исключительность», ведь начальное состояние материи характеризовалось совершенно непонятными плотностями материи и энергии, стремящимися к бесконечности.

Понятие космологической сингулярности тесно связано с кривизной окружающего нас трехмерного пространства, которое может быть и разомкнутым и замкнутым. Каким именно оно станет, зависит от многих обстоятельств. Например, если плотность материи в таком мире будет ниже некой критической величины, то он окажется незамкнутым, сможет расширяться до бесконечности. Тогда луч света, выпущенный из какой‑либо точки внутри него, никогда не вернется назад, разве что отразится, натолкнувшись на какую‑либо преграду. Если же плотность вещества превысит некоторое критическое значение, то пространство окажется замкнутым. Оно будет то расширяться, то сжиматься, не выходя все‑таки за некоторые пределы.

Наглядно такой пульсирующий замкнутый мир можно представить в виде резинового шара, который то раздувается, то спускает воздух. Само собой разумеется, что при всем старании нам вряд ли удастся раздуть камеру больше критического объема поверхности, так как произойдет ее разрыв. В данном замкнутом пространстве свет, направленный в одну сторону, может облететь всю полость и вернуться с другой стороны, так и не вырвавшись наружу.

После создания теории относительности, в двадцатых годах прошлого века, замечательный петербургский математик Александр Александрович Фридман одним из первых получил оригинальные решения уравнений общей теории относительности для всей Вселенной в целом. Анализируя полученные результаты и применяя их к новой теории гравитации Эйнштейна, профессор Фридман сделал сенсационное открытие. Он обнаружил, что уравнения имеют решения, которые описывают полностью замкнутый мир. Под действием гравитации в отдельных участках Вселенной материя может как бы «схлопнуться», образовав необычное пространство, замкнутое само на себя. Далее ученый получил еще более неожиданный результат, который однозначно показывал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, должна расширяться или сжиматься. Полученные Фридманом уравнения для развивающейся и увеличивающейся Вселенной лежат в основе всей современной космологии.

Миры Мультивселенной

Простой астрономический факт – расширение нашей Вселенной – привел к полному пересмотру всех космогонических концепций и разработке новой физики – физики возникающих и исчезающих миров.

 

С. Г. Рубин, «Мир, рожденный из „ничего“»

 

МИР ФРИДМАНА

 

Как же можно представить себе мир Фридмана? Давайте возьмем глобус и населим его ползающими по поверхности «плоскунами», ничего не подозревающими о существовании третьего измерения. Поверхность сферы образует особый двумерный мир. Он замкнут и в то же время безграничен, ведь по поверхности шара можно двигаться в любом направлении, не опасаясь наткнуться на какую‑то неодолимую преграду.

Представим теперь, что Академия наук плоскунов решила опытным путем проверить, безгранична или же ограниченна их Вселенная. Приступив к измерению длины окружности сферы своего мира, академики плоскунов вскоре пришли бы в большое удивление, ведь длина окружности, все возрастая по мере удаления от того места, где находились плоскуны‑экспериментаторы, достигла бы максимума, а затем начала бы неуклонно уменьшаться, вплоть до нуля.

Это однозначно продемонстрировало бы плоскунам, что их мир замкнут. Удивительные вещи должны происходить в таком замкнутом мире. В таком мире действовали бы иные физические законы и сила взаимодействия между двумя зарядами изменялась бы в другой пропорции от расстояния.

Двумерные существа могли бы никогда не узнать, что находится внутри искривленной поверхности сферы, центр которой недоступен для наблюдений их двумерными приборами. Они могли бы построить модель Вселенной как целого, безграничную, но конечную, содержащую конечное количество квадратных километров. Модель охватывала бы все, доступное их чувствам и физическим приборам, но с точки зрения внешнего наблюдателя мир плоскунов составлял бы лишь незначительную часть чего‑то более обширного.

Очевидно, вопрос, интересующий двумерных аборигенов, состоит в том, можно ли считать внутренность сферы с центром и охватывающее сферу внешнее пространство реально существующими, если до сих пор они себя никак не проявляли в сферическом мире и, может быть, так никогда и не проявят?

 

ПОСТОЯННАЯ ХАББЛА

 

Некоторое время после создания модель Фридмана нестационарной расширяющейся Вселенной казалась многим ученым нереальной. Однако соответствующие решения Фридмана были не только признаны автором теории относительности Эйнштейном, но и получили практическое подтверждение в наблюдениях знаменитого американского астронома Э. Хаббла. В двадцатых годах прошлого века, после внушительной серии астрономических исследований дальних галактик, он пришел к выводу, что галактические объекты удаляются от нас со скоростью, пропорциональной этой удаленности. Следовательно, чем дальше от нас галактика, тем выше ее скорость удаления.

Соответствующий коэффициент пропорциональности является важнейшей космологической величиной, получившей название постоянной Хаббла. Этот вывод Хаббл сделал на основе исследования физического эффекта Доплера – смещения длин волн в спектре излучения источника в сторону красной части диапазона для далеких галактик (рис. 9 цв. вкл.) Открытие Хабблом эффекта красного смещения, разбегания галактик лежит в основе концепции расширяющейся Вселенной. В соответствии с современными космологическими концепциями, Вселенная расширяется, но центр расширения отсутствует: из любой точки Вселенной картина расширения будет представляться той же самой, а именно, все галактики будут иметь свое красное смещение, пропорциональное расстоянию до них. Само пространство как бы раздувается (рис. 10 цв. вкл.).

Оставалось понять, какие физические превращения происходили и происходят на различных стадиях расширения нашего мира. Одним из первых к исследованию данной интереснейшей проблемы рождения вещества нашего мира приступил знаменитый американский физик русского происхождения Георгий Гамов. Именно он в сороковых годах прошлого века заложил основы фундамента современной космологии и космогонии – модели «горячей Вселенной».

Согласно модели горячей Вселенной, плазма и электромагнитное излучение на ранних стадиях расширения Вселенной обладали очень высокой плотностью и энергией. В ходе расширения Вселенной эта температура неуклонно падала. Затем равновесие образовавшегося водорода и гелия с излучением нарушилось – кванты излучения уже не обладали необходимой для ионизации вещества энергией и проходили через него как через прозрачную среду. Температура обособившегося излучения продолжала снижаться и к нашей эпохе составила всего несколько градусов Кельвина. Это излучение сохранилось до наших дней как эхо эпохи бурного рождения Вселенной в катаклизме Большого взрыва.

Новорожденная Вселенная прошла стадию чрезвычайно быстрого расширения (космологической инфляции), которая полностью изменила пейзаж младенческого космоса. До возраста приблизительно 300 тысяч лет Вселенная была кипящим котлом из электронов, протонов, нейтрино и излучения, которые взаимодействовали между собой и составляли единую среду, равномерно заполняющую всю раннюю Вселенную. Общее расширение Вселенной постепенно охлаждало эту среду, и, когда температура упала до значения нескольких тысяч градусов, наступило время для формирования стабильных атомов.

Астрономы предполагают, что важную роль на начальной стадии формирования галактик могли также играть черные дыры, собирая материю вместе посредством своей мощной гравитации. Новые открытия сверхмассивных черных дыр в центрах галактик только прибавляют в этом уверенности. Такая связь, естественно, вызывает вопрос и о том, что появилось сначала – галактика или черная дыра, хотя последние данные в большей степени указывают на то, что именно черные дыры формируют вокруг себя галактики.